Мэттью Стэйматс тестирует разные маски. Источник: NIST
Многие люди носят маски в общественных местах, чтобы замедлить распространение COVID-19, выполняя рекомендации центров по контролю и профилактике заболеваний. Однако маски с клапанами для выдоха не замедляют распространение инфекции. Новые видеоролики американского Национального института стандартов и технологий (NIST) демонстрируют, почему.
На видео показано, как воздушный поток проходит через маски с клапанами выдоха и без них. Материалы создал инженер-исследователь NIST Мэттью Стэйматс. Видео опубликованы вместе с сопутствующей исследовательской статьей в журнале Physics of Fluids.
«Когда вы сравниваете видео бок о бок, разница разительна, — сказал Стэйматс. — Эти видеоролики показывают, как клапаны позволяют воздуху выходить из маски, не фильтруя его, что противоречит самой сути маски».
Клапаны выдоха облегчают дыхание через маску и делают ее комфортнее. Они уместны, когда маска предназначена для защиты самого пользователя. Например, маски с клапанами защищают рабочих от пыли на строительной площадке или персонал больниц от инфицированных пациентов.
Маски, которые рекомендуют для замедления распространения COVID-19, в основном предназначены для защиты людей вокруг владельца. Они улавливают выдыхаемые капли, которые могут содержать вирус, и тем самым замедляют распространение инфекции. Согласно экспертам, даже люди без симптомов должны носить маски, потому что можно переносить болезнь бессимптомно.
Это видео, созданное с использованием шлиреновой системы визуализации, показывает динамику воздушного потока для маски N95 с клапаном выдоха (слева) и маски без клапана выдоха. Воздух проходит через клапан нефильтрованным. Маски с клапанами не замедляют распространение COVID, и их не следует носить для этой цели. Источник: Мэттью Стэйматс/NIST.
«Я ношу маску не потому, что хочу защитить себя. Я ношу ее, чтобы защитить человека рядом, потому что я могу быть бессимптомным пациентом и распространять вирус, даже не подозревая об этом, — сказал Стэйматс. — Но если я ношу маску с клапаном, то ничем не помогаю ситуации».
Стэйматс — эксперт по приемам визуализации потоков, которые позволяют ему запечатлеть движение воздуха на камеру. Он обычно работает над новыми технологиями для обнаружения взрывчатых веществ и наркотиков в аэропортах и на терминалах, буквально вынюхивая следы этих материалов в воздухе. В последнее время Стэйматс занялся масками, чтобы разработать новые способы измерять и улучшать их эффективность.
Стэйматс записал два видеоролика и использовал разные методы визуализации потоков. Первое видео создано с использованием так называемой шлиреновой системы визуализации. При ней различие в плотности воздуха отображается в камере как паттерны из тени и света.
Шлирен-метод делает выдыхаемый воздух видимым, потому что он теплее и, следовательно, менее плотен, чем окружающий воздух. Это видео показывает только движение самого воздуха, без движения выдыхаемых капель в воздухе. На левом видео на Стэйматсе надета респираторная маска N95 с клапаном, через который выдыхаемый воздух поступает в окружающую среду без фильтрации. Справа клапана нет, а воздух проходит через маску и большая часть капель отфильтровывается.
Это видео создано с использованием техники светорассеяния. Ролик демонстрирует динамику воздушного потока при ношении маски N95 с клапаном выдоха (слева) и без клапана выдоха (в центре). Маски с клапанами не замедляют распространение COVID, и их не следует носить для этого. Источник: Мэттью Стэйматс/NIST.
Стэйматс создал второе видео, используя метод рассеяния света.
Для второго видео исследователь построил устройство, которое испускает воздух со скоростью и темпом, как у спящего взрослого человека, а затем подключил устройство к манекену. Вместо выдыхаемых капель воздух несет капли воды различных размеров, типичных для капель в человеческом дыхании при выдохе, разговоре и кашле. Высокоинтенсивный светодиодный свет за манекеном подсвечивает воздушные капли, заставляет их рассеивать свет и отображаться при съемке.
В противоположность съемке с шлирен-методом, этот ролик показывает движение капель в воздухе. Слева капли выходят и не фильтруются через клапан маски N95. В середине нет клапана, и дыхания не видно, потому что маска задержала капли. Справа маска не надета.
Используя манекен и механический «дыхательный» аппарат, Стэймейтс наблюдал за паттернами воздушного потока, сохраняя при этом частоту дыхания, давление воздуха и другие переменные неизменными.
Кроме того, видео, полученные с помощью рассеяния света, можно проанализировать на компьютере так, как невозможно для шлирен-изображений. Стэйматс написал код, который подсчитал яркие пиксели в видео и использовал его для оценки числа капель в воздухе. Это не точный замер количества капель: двухмерное видео не может захватить то, что происходит в полном трехмерном объеме воздуха. Однако полученные числа показывают тенденции, которые можно проанализировать, чтобы лучше понять динамику воздушного потока, проходящего через разные виды масок.
Этот исследовательский проект изучил только один тип маски с клапаном; другие типы клапанных масок будут работать иначе. Маски, которые прилегают не плотно к лицу, позволяют воздуху проходить вокруг маски, а не через нее. Это также может ухудшить рабочие характеристики маски.
Основной эффект клапанов все равно виден на этих роликах. Стэйматс надеется, что видео помогут людям с одного взгляда понять, почему маски, предназначенные для замедления распространения COVID-19, не должны иметь клапанов.
Автор: derprimus
